Взрывомагнитный формирователь импульса тока

Изобретение относится к области экспериментальной физики, в частности к взрывным импульсным источникам энергии с формированием импульса тока мегаамперного уровня, и может быть использовано, например, для исследования свойств высокотемпературной плазмы. При создании изобретения решалась задача предварительной завитки нагрузки в виде газоразрядной камеры с соплом Лаваля. Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение длительности формируемого импульса тока в нагрузке. Указанный технический результат достигается тем, что в известном взрывомагнитном формирователе импульса тока (ВМФИТ), содержащем разрушаемый проводник, установленный между диэлектрическими струегасителем и струеформирователем с кумулятивными выемками на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования и токопроводы для подключения источника питания и нагрузки, дополнительно содержится формирующий элемент, электрически соединенный последовательно с разрушаемым проводником и расположенный в струегасителе. Формирующий элемент может быть выполнен цилиндрическим из материала с удельным сопротивлением, выбранным из соотношения: 20·10^-6 Ом·см ≤ρ≤200·10^-6 Ом·см. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области экспериментальной физики, в частности к взрывным импульсным источникам энергии с формированием импульса тока мегаамперного уровня, и может быть использовано, например, для исследования свойств высокотемпературной плазмы.

Известен взрывомагнитный формирователь импульса тока (ВМФИТ) - V.K.Chernyshev et al. «Helical EMG Module with Explosive Current Opening Switches». In: Megagauss Fields and Pulsed Power Systems. N.Y., Nova Science Publishers, 1990, p.433-436, где описан ВМФИТ, содержащий спиральный взрывомагнитный генератор (СВМГ) и взрывной обостритель тока (ВОТ). Недостатками этого ВМФИТ являются недостаточно высокий коэффициент усиления тока СВМГ и отсутствие возможности использования этого ВМФИТ в устройствах с предварительным замагничиванием плазмы, например в газоразрядных камерах с магнитогазодинамическим соплом (МГД-соплом) (В.К.Чернышев и др. Газовая камера с МГД-соплом со сжимаемым отсеком ускорения. В книге: Мегагаусская и мегаамперная технология и применения. Саров, ВНИИЭФ, 1997, с.727-729).

Эти недостатки частично были устранены в другой конструкции, описанной в а.с. №1616386 авторов В.Н.Веселова и др. «Устройство для получения высокотемпературной плазмы» с приоритетом от 14.03.88 г., кл. МПК G 21 В 1/00, опубл. БИ №22, 1995 г.

В этом устройстве ВМФИТ включает в себя спиральный ВМГ, взрывной обостритель тока (ВОТ) и замыкающий ключ. Замыкающий ключ срабатывает на первой стадии работы СВМГ, он отсекает ток в плазменной камере, и затем ток остается примерно постоянным. Тем временем спиральный ВМГ продолжает функционировать, и текущий через него ток увеличивается в несколько раз. В заданное время срабатывает ВОТ, и высокое напряжение появляется на камере. В этом же а.с. обостритель тока предлагается использовать последовательно соединенным с резистором, причем резистор устанавливается на радиусе расположения разрываемой фольги обострителя тока.

В а.с. №2175819 "Устройство для генерации нейтронного и рентгеновского излучений" авторов Чернышева В.К. и др., кл. МПК Н 05 Н 1/02, опубл. БИ №29, 2000 г. предлагается замагничивание плазмы осуществлять с помощью индуктивного элемента, включенного последовательно с разрываемой фольгой и установленного на радиусе расположения фольги.

Расположение резистивного или индуктивного элементов (шунтов) последовательно с разрываемой фольгой вдоль оси обострителя увеличивает индуктивность обострителя пропорционально увеличению его длины, что уменьшает коэффициент усиления тока СВМГ.

Наиболее близким к заявляемому является ВМФИТ по а.с. №1519446 авторов В.К.Чернышева и др. кл. МПК Н 01 Н 39/00, опубл. в БИ №26, 95 г.

ВМФИТ по прототипу содержит разрушаемый проводник, установленный между диэлектрическими струегасителем и струеформирователем с кумулятивными выемками на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования и токопроводы для подключения источника питания и нагрузки.

Недостатками прототипа являются ограничения по амплитуде протекающего тока и длительности импульса тока в нагрузке. Ограничение по амплитуде тока связано с токовым нагревом разрушаемого проводника.

При создании данного изобретения решалась задача предварительной запитки нагрузки в виде газоразрядной камеры с соплом Лаваля.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение длительности формируемого импульса в нагрузке.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным ВМФИТ, содержащим разрушаемый проводник, установленный между диэлектрическими струегасителем и струеформирователем с кумулятивными выемками на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования и токопроводы для подключения источника питания и нагрузки, ВМФИТ дополнительно содержит формирующий элемент, электрически соединенный последовательно с разрушаемым проводником и расположенный в струегасителе. Формирующий элемент может быть выполнен в виде спирали. Формирующий элемент может быть выполнен цилиндрическим из материала с удельным сопротивлением ρ, выбранным из соотношения:

20·10^-6 Ом·см ≤ρ≤200·10^-6 Ом·см.

Введение дополнительного формирующего элемента, последовательно соединенного с разрушаемым проводником, позволяет с самого начала работы ВМФИТ часть магнитного потока передавать в нагрузку еще до момента разрезания разрушаемого проводника кумулятивными струями. Это приводит к уменьшению тока, протекающего через разрушаемый проводник, что уменьшает токовый нагрев разрушаемого проводника. Это позволяет увеличить амплитуду тока предварительной запитки и тока в нагрузке.

Передавая в нагрузку часть магнитного потока, формирующий элемент создает в нагрузке ток предварительной запитки в двух вариантах:

- для формирующего элемента в виде спирали:

где

U(t) - напряжение на формирующем элементе;

I(t) - ток, протекающий во ВМФИТ;

L_Э - величина индуктивности формирующего элемента;

L_H - величина индуктивности нагрузки;

I_{H предв.} - ток предварительной запитки нагрузки;

Ф_предв. - часть магнитного потока, переданная в нагрузку с помощью формирующего элемента;

- для формирующего цилиндрического резистивного элемента:

где

R_Э - величина сопротивления формирующего цилиндрического элемента.

Основной ток в нагрузке (ток быстрой запитки) формируется за счет разрыва контура, как в прототипе. С точки зрения достигаемого технического результата варианты исполнения формирующего элемента в виде индуктивного или резистивного сопротивления равноценны. Выбор варианта исполнения обусловлен особенностями запитки ВМФИТ. Резистивный формирующий элемент должен быть сопоставим с размерами разрушаемого проводника и выполнен из высокоомных материалов, таких как нихром, манганин, константан, графит и т.п. Если ρ≤20·10^-6 Ом·см, то длина формирующего элемента будет нарушать заданные габариты. Если ρ≥200·10^-6 Ом·см, то диффузия магнитного потока будет осуществляться быстро, и ток предварительной запитки будет больше требуемой величины. Формирующий резистивный или индуктивный элемент расположен внутри струегасителей над разрушаемым проводником из фольги.

При таком расположении появляется возможность увеличения эффективности разрыва контура: диэлектрическая кумулятивная струя внедряется в струегаситель со скоростью 2 км/с, и при расположении резистивного элемента (например, нихромовой фольги толщиной 1 мм) над разрушаемым проводником диэлектрическая струя сначала разрежет фольгу, а затем разрушит и резистивный элемент. Тем самым увеличивается длина разрываемого участка и возрастает эффективность разрыва контура.

На фиг.1 изображен заявляемый ВМФИТ, в котором дополнительный формирующий элемент выполнен в виде спирали.

На фиг.2 изображен заявляемый ВМФИТ, в котором дополнительный формирующий элемент выполнен цилиндрическим.

Заявляемый ВМФИТ содержит разрушаемый проводник 1, установленный между диэлектрическими струегасителем 2 и струеформирователем 3 с кумулятивными выемками 4 на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику 1, заряд 5 взрывчатого вещества с системой инициирования 6 и токопроводы 7 и 8 для подключения источника питания 9 и нагрузки 10. ВФИТ дополнительно содержит формирующий элемент 11, электрически соединенный последовательно с разрушаемым проводником и расположенный в струегасителе 2. Формирующий элемент 11 может быть выполнен в виде спирали. Формирующий элемент 11 может быть выполнен цилиндрическим из материала с удельным сопротивлением ρ, выбранным из соотношения:

20·10^-6 Ом·см ≤ρ≤200·10^-6 Ом·см.

Был изготовлен и испытан опытный образец заявляемого ВМФИТ, в котором разрушаемый проводник выполнен цилиндрическим из алюминиевой фольги толщиной ≈1 мм. Струеформирователь выполнен из полиэтилена толщиной 15 мм с кумулятивными выемками глубиной 10 мм. Струегаситель выполнен также из полиэтилена составным из двух цилиндрических деталей по 5 мм толщиной каждый. Между ними расположен дополнительный формирующий элемент в виде спирали из медной ленты толщиной 0,5 мм индуктивностью величиной ˜10 нГн. В качестве источника импульса тока использовался спиральный взрывомагнитный генератор СВМГ диаметром 200 мм, который обеспечивал ток амплитудой до 14 МА. Длительность импульса в нагрузке в опыте получена ≈100 мкс с амплитудой ≈7 МА.

Работает заявляемый ВМФИТ следующим образом. Импульс тока от СВМГ 9 через токопроводы 7 и 8 приложен к разрушаемому проводнику 1 и дополнительному формирующему элементу 11. Ток протекает через нагрузку 10 вследствие диффузии части магнитного потока через формирующий элемент 11. Формирование импульса в нагрузке 10 начинается с момента запитки ВМФИТ. В конце работы СВМГ производится задействование системы инициирования 6, и с помощью заряда ВВ 5 формируются кумулятивные струи, которые разрезают проводник 1. Далее идет разрушение струегасителя 2 и дополнительного формирующего элемента 11, и в нагрузку за 2,5 мкс перебрасывается основная часть магнитного потока. Формируется импульс тока быстрой запитки, а в нагрузке происходит сложение токов предварительной и быстрой запитки, в результате чего достигается максимум амплитуды тока.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый ВМФИТ позволяет запитывать нагрузки в виде плазменных газоразрядных камер, требующих предварительной запитки с длительностью импульса 100 мкс, что в 40 раз по длительности больше, чем в устройстве-прототипе, где длительность импульса 2,5 мкс. Амплитуда тока увеличена с 5 МА до 7 МА по сравнению с прототипом.

1. Взрывомагнитный формирователь импульса тока, содержащий разрушаемый проводник, установленный между диэлектрическими струегасителем и струеформирователем с кумулятивными выемками на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования и токопроводы для подключения источника питания и нагрузки, отличающийся тем, что он содержит дополнительный формирующий элемент, электрически соединенный с разрушаемым проводником и расположенный в струегасителе.

2. Взрывомагнитный формирователь импульса тока по п.1, отличающийся тем, что формирующий элемент выполнен в виде спирали.

3. Взрывомагнитный формирователь импульса тока по п.1, отличающийся тем, что формирующий элемент выполнен цилиндрическим из материала с удельным сопротивлением ρ, выбранным из соотношения

20·10^-6 Ом·см ≤ρ≤200·10^-6 Ом·см.