Генератор сжатия потока со взрывной накачкой

Неядерное устройство, создающее электромагнитный импульс

Генератор сжатия потока в разрезе. Алюминиевая трубка взрывается на конце, выходящем за пределы спирали медной проволоки. С другой стороны, трансформатор позволяет генератору более эффективно работать с электрической нагрузкой.

Генератор сжатия потока со взрывной накачкой ( EPFCG ) — это устройство, используемое для генерации мощного электромагнитного импульса путем сжатия магнитного потока с помощью взрывчатого вещества .

EPFCG генерирует только один импульс, поскольку устройство физически разрушается во время работы. Для работы им требуется импульс пускового тока , обычно подаваемый конденсаторами .

Генераторы сжатия потока со взрывной накачкой используются для создания сверхсильных магнитных полей в физических и материаловедческих исследованиях ^[1] и чрезвычайно интенсивных импульсов электрического тока для импульсных энергетических приложений. Они исследуются в качестве источников энергии для устройств радиоэлектронной борьбы, известных как переходные электромагнитные устройства, которые генерируют электромагнитный импульс без затрат, побочных эффектов или огромного радиуса действия, как ядерные электромагнитные импульсные устройства.

Первые работы над этими генераторами были проведены Центром ядерных исследований ВНИИЭФ в Сарове в Советском Союзе в начале 1950-х годов, а затем Лос-Аламосской национальной лабораторией в США .

История

В начале 1950-х годов необходимость в очень коротких и мощных электрических импульсах стала очевидной для советских учёных, проводивших исследования в области ядерного синтеза . Генератор Маркса , запасающий энергию в конденсаторах, был единственным устройством, способным на тот момент производить импульсы такой большой мощности. Запредельная стоимость конденсаторов, необходимых для получения желаемой мощности, побудила к поиску более экономичного устройства. На эту роль были призваны первые магнито-взрывные генераторы, возникшие из идей Андрея Сахарова . ^{[2] [3]}

Механика

Для магнитного поля постоянной напряженности величиной B, пересекающего поверхность S, поток Φ равен B, умноженному на S.

В магнитно-взрывных генераторах используется метод, называемый «сжатием магнитного потока», подробно описанный ниже. Этот метод становится возможным, когда временные рамки, в которых работает устройство, достаточно малы, и потери резистивного тока незначительны, а магнитный поток через любую поверхность, окруженную проводником ( например, медным проводом), остается постоянным, даже если размер и форма поверхности может измениться.

Это сохранение потока можно продемонстрировать с помощью уравнений Максвелла . Наиболее интуитивное объяснение сохранения замкнутого потока следует из закона Ленца , который гласит, что любое изменение потока в электрической цепи вызовет в цепи ток, который будет противодействовать этому изменению. По этой причине уменьшение площади поверхности, окруженной замкнутым проводником с проходящим через него магнитным полем, что привело бы к уменьшению магнитного потока, приводит к индукции тока в электрическом проводнике, который имеет тенденцию поддерживать замкнутый поток на уровне его первоначальная стоимость. В магнитно-взрывных генераторах уменьшение площади достигается за счет детонации взрывчатого вещества, упакованного вокруг проводящей трубки или диска, поэтому возникающая в результате имплозия сжимает трубку или диск. ^[4] Поскольку поток равен величине магнитного поля , умноженной на площадь поверхности, по мере уменьшения площади поверхности напряженность магнитного поля внутри проводника увеличивается. Процесс сжатия частично преобразует химическую энергию взрывчатого вещества в энергию интенсивного магнитного поля, окруженного соответственно большим электрическим током.

Назначением генератора потока может быть либо генерация чрезвычайно сильного импульса магнитного поля, либо чрезвычайно сильного импульса электрического тока; в последнем случае замкнутый проводник присоединяется к внешней электрической цепи . Эта техника использовалась для создания самых интенсивных искусственных магнитных полей на Земле; поля силой до 1000  тесла (примерно в 1000 раз превышающие силу типичного неодимового постоянного магнита) могут быть созданы в течение нескольких микросекунд.

Элементарное описание сжатия потока

Рис. 1: Исходные линии магнитного поля.

Внешнее магнитное поле (синие линии) пронизывает замкнутое кольцо из идеального проводника (с нулевым сопротивлением ). Полный магнитный поток через кольцо равен магнитному полю, умноженному на площадь поверхности, охватывающей кольцо. Девять силовых линий представляют собой магнитный поток, пронизывающий кольцо. ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle A}$

Рис. 2: Конфигурация после уменьшения диаметра кольца.

Предположим, кольцо деформировалось, уменьшив площадь его поперечного сечения. Магнитный поток, пронизывающий кольцо, представленный пятью силовыми линиями, уменьшается в том же отношении, что и площадь кольца. Изменение магнитного потока индуцирует ток (красные стрелки) в кольце по закону индукции Фарадея , который, в свою очередь, создает новое магнитное поле, окружающее провод (зеленые стрелки) по закону цепи Ампера . Новое магнитное поле противодействует полю снаружи кольца, но добавляется к полю внутри, так что общий поток внутри кольца сохраняется: четыре зеленых силовых линии, добавленные к пяти синим линиям, дают исходные девять силовых линий.

Рис. 3: Линии магнитного поля после сжатия.

Сложив внешнее магнитное поле и индуцированное поле, можно показать, что конечным результатом является то, что линии магнитного поля, первоначально пронизывающие отверстие, остаются внутри отверстия, таким образом, поток сохраняется, и в проводящем кольце создается ток. . Линии магнитного поля «сжаты» ближе друг к другу, поэтому (средняя) напряженность магнитного поля внутри кольца увеличивается на отношение исходной площади к конечной площади.

Различные типы генераторов

Простой базовый принцип сжатия потока можно применять по-разному. Советские учёные из ВНИИЭФ в Сарове , пионеры в этой области, разработали три различных типа генераторов: ^{[5] [3] [6]}

• В генераторе первого типа (МК-1, 1951 г.), разработанном Робертом Людаевым, магнитный поток, создаваемый намотанным проводником, ограничивается внутренней частью полой металлической трубки, окруженной взрывчатым веществом, и подвергается сильному сжатию при воздействии взрывчатого вещества. уволенный; устройство того же типа было разработано в США дюжину лет спустя командой К.М. (Макса) Фаулера в Лос-Аламосе .
• Во втором типе генератора (МК-2, 1952 г.) магнитный поток, заключенный между обмотками внешнего проводника и центральной токопроводящей трубкой, заполненной взрывчатым веществом, сжимается коническим «поршнем», создаваемым деформацией центрального проводника. трубку, когда детонационная волна проходит через устройство.
• Генератор третьего типа (ДЭМГ), разработанный Владимиром Чернышевым, имеет цилиндрическую форму и содержит стопку вогнутых металлических дисков, попарно обращенных друг к другу для создания полых модулей (количество которых варьируется в зависимости от желаемой мощности), и разделенных взрывчатыми веществами; каждый модуль функционирует как независимый генератор.

Такие генераторы при необходимости можно использовать самостоятельно или даже собрать в цепочку последовательных каскадов: энергия, вырабатываемая каждым генератором, передается следующему, который усиливает импульс и т. д. Например, предусмотрено, что генератор ДЭМГ будет снабжен генератором типа МК-2.

Кроме того, их можно либо уничтожить сразу после эксперимента, либо использовать снова и снова, соблюдая приемлемое время использования. ^[7]

Генераторы с полыми трубками

Весной 1952 г. Р. З. Людаев, Е. А. Феоктистова , Г. А. Цырков и А. А. Чвилева провели первый эксперимент с генератором этого типа с целью получения очень сильного магнитного поля.

Генератор полых трубок.

Генератор МК-1 функционирует следующим образом:

• Продольное магнитное поле создается внутри полого металлического проводника путем разряда батареи конденсаторов в соленоид, окружающий цилиндр. Для обеспечения быстрого проникновения поля в цилиндр в цилиндре имеется щель, которая быстро закрывается по мере деформации цилиндра;
• Заряд взрывчатого вещества, помещенный вокруг трубки, детонирует таким образом, что сжатие цилиндра начинается, когда ток через соленоид достигает максимального значения;
• Сходящаяся цилиндрическая ударная волна, вызванная взрывом, вызывает быстрое сжатие (более 1 км/с) центрального цилиндра, сжимая магнитное поле и создавая индуктивный ток, как объяснено выше (скорость сжатия позволяет первом приближении, пренебрежение джоулевыми потерями и рассмотрение цилиндра как идеального проводника).

В первых экспериментах удалось получить магнитные поля в миллионы гаусс (сотни тесла ) при начальном поле 30 кГс (3 Тл), которое в свободном пространстве «воздух» соответствует H = B/μ ₀ = ( 3 В _с /м ² ) / (4π × 10 ⁻⁷ В _с /Ам) =2,387 × 10 ⁶  А/м (приблизительно 2,4 МА/м).

Спиральные генераторы

Спиральные генераторы были в основном задуманы для подачи сильного тока на нагрузку, расположенную на безопасном расстоянии. Они часто используются в качестве первой ступени многокаскадного генератора, при этом выходной ток используется для создания очень интенсивного магнитного поля во втором генераторе.

Функция винтового генератора.

Генераторы МК-2 функционируют следующим образом:

• Продольное магнитное поле создается между металлическим проводником и окружающим соленоидом путем разряда батареи конденсаторов в соленоид;
• После воспламенения заряда в заряде ВВ, размещенном внутри центральной металлической трубки (слева направо на рисунке), распространяется детонационная волна;
• Под действием давления детонационной волны трубка деформируется и становится конусом, который контактирует со спирально навитой катушкой, уменьшая число незакороченных витков, сжимая магнитное поле и создавая индуктивный ток;
• В точке максимального сжатия потока переключатель нагрузки размыкается, который затем подает на нагрузку максимальный ток.

Генератор МК-2 особенно интересен для производства интенсивных токов до 10 ⁸  А (100 МА), а также магнитного поля очень высокой энергии, поскольку до 20% энергии взрыва может быть преобразовано в магнитную энергию. , а напряженность поля может достигать 2 × 10 ⁶  гаусс (200 Тл).

Практическая реализация высокоэффективных систем МК-2 потребовала проведения фундаментальных исследований большой командой исследователей; Фактически это было достигнуто к 1956 году после производства первого генератора МК-2 в 1952 году и достижения токов более 100 мегаампер с 1953 года.

Дисковые генераторы

Дисковые генераторы.

Генератор ДЭМГ работает следующим образом:

• Внутри цилиндра уложены токопроводящие металлические диски, собранные в облицовочные пары с образованием полых модулей, имеющих форму облицованного тора , между парами модулей которых находится взрывчатое вещество; ^[8] Количество модулей может варьироваться в зависимости от желаемой мощности (на рисунке показано устройство из 15 модулей), а также радиуса дисков (порядка от 20 до 40 см).
• Через устройство протекает ток, питаемый генератором МК-2, и внутри каждого модуля создается интенсивное магнитное поле.
• При инициировании взрыв начинается на оси и распространяется радиально наружу, деформируя дискообразные выступы треугольного сечения и отталкивая их от оси. Движение наружу этого участка проводника играет роль поршня.
• По мере взрыва магнитное поле сжимается внутри каждого модуля проводящим поршнем и одновременно сближает внутренние грани, создавая также индуктивный ток.
• Когда индуцированный ток достигает максимума, размыкатель предохранителя плавится, и выключатель нагрузки одновременно замыкается, позволяя току поступать на нагрузку (механизм работы выключателя нагрузки не поясняется в доступной документации).

Во ВНИИЭФ разработаны системы, использующие до 25 модулей. Мощность 100  МДж при силе тока 256 МА обеспечивал генератор диаметром метр, состоящий из трех модулей.

Смотрите также

• Пинч (физика плазмы)
• Сегнетоэлектрический генератор с взрывным приводом
• Ферромагнитный генератор с взрывным приводом
• Газодинамический лазер со взрывной накачкой

Рекомендации

1. Солем, JC; Шеппард, МГ (1997). «Экспериментальная квантовая химия в сверхсильных магнитных полях: некоторые возможности». Международный журнал квантовой химии . 64 (5): 619–628. doi :10.1002/(sici)1097-461x(1997)64:5<619::aid-qua13>3.0.co;2-y.
2. Терлецкий, Я. П. (август 1957 г.). «Создание очень сильных магнитных полей путем быстрого сжатия проводящих оболочек» (PDF) . ЖЭТФ . 5 (2): 301–202.
3. Сахаров, А.Д. (7 декабря 1982 г.). Сборник научных трудов . Марсель Деккер . ISBN 978-0824717148.
4. Существуют и другие методы, не зависящие от взрывчатых веществ. В частности, см.: Схема сжатия потока, используемая в исследовательском центре Грамат, докторская диссертация, Матиас Бавай, 8 июля 2002 г.
5. Сахаров, А.Д. (январь 1966 г.). "Взрывомагнитные генераторы" (PDF) . Успехи физических наук . 88 (4): 725–734. дои : 10.3367/UFNr.0088.196604e.0725.В переводе: Сахаров А.Д. (1966). «Магнитоимплозийные генераторы». Успехи советской физики . 9 (2): 294–299. Бибкод : 1966СвФУ...9..294С. doi : 10.1070/PU1966v009n02ABEH002876.Переиздается как: Сахаров А.Д.; и другие. (1991). "Взрывомагнитные генераторы" (PDF) . Успехи физических наук . 161 (5): 51–60. дои :10.3367/УФНр.0161.199105г.0051.В переводе: Сахаров А.Д.; и другие. (1991). «Магнитоимплозийные генераторы». Успехи советской физики . 34 (5): 387–391. Бибкод : 1991СвФУ..34..385С. doi : 10.1070/PU1991v034n05ABEH002495.
6. Младший, Стивен; Линдемут, Ирвин; Рейновский, Роберт; Фаулер, К. Максвелл; Гофорт, Джеймс; Экдал, Карл (1996). «Межлабораторное научное сотрудничество между Лос-Аламосом и Арзамасом-16 с использованием взрывных генераторов сжатия потока» (PDF) . Лос-Аламосская наука (23).
7. Койн, Кристин (2008). «7. Импульсные магниты: краткие яркие моменты». Магниты от Mini до Mighty . Национальная лаборатория сильных магнитных полей . Архивировано из оригинала 20 декабря 2014 года . Проверено 21 мая 2014 г.
8. На практике каждый сборный элемент, предназначенный для сборки в цилиндр, соответствует взрывному устройству, окруженному двумя дисками, что объясняет, почему ряд дисков на каждом конце заканчивается полым полумодулем.

Внешние ссылки

• Научное сотрудничество между Лос-Аламосом и Арзамасом-16 с использованием взрывных генераторов сжатия потока
• Введение во взрывные генераторы сжатия магнитного потока
• Генерация сверхсильных магнитных полей для AGEX (LANL)
• Сверхмощные взрывные магнитные источники энергии (В.К. Чернышев, ВНИИЭФ)
• Эксперименты при высоких скоростях деформации для определения динамического предела текучести меди
• Термоядерный синтез с намагниченной мишенью – подход сверхвысоких энергий в неисследованном пространстве параметров