магнитокумулятивный способ и устройство для получения импульса напряжения

Формула изобретения

1. Магнитокумулятивный способ получения импульса напряжения, включающий создание начального магнитного потока, сжатие его под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества в основной полости, вывод магнитного потока в накопительную полость и формирование импульса в нагрузке, отличающийся тем, что сжатие магнитного потока дополнительно осуществляют в накопительной полости, формирование импульса осуществляют в дополнительной полости формирования, а основную, накопительную и полость формирования заполняют электропрочным газом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что основную, накопительную и полость формирования заполняют элегазом SF₆ или его смесью с другими газами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что основную, накопительную и полость формирования заполняют различными электропрочными газами или их смесями.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что полости заполняют электропрочными газами под различным давлением.

5. Устройство для осуществления магнитокумулятивного способа получения импульса напряжения, включающее спиральный магнитокумулятивный генератор, содержащий коаксиальные наружный спиральный проводник и внутренний проводник с зарядом взрывчатого вещества, образующие между собой основную полость сжатия магнитного потока, а также накопительную полость и нагрузку, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит полость формирования импульса, расположенную между накопительной полостью и нагрузкой, электрически взрываемые проводники, расположенные в полости формирования, причем накопительная полость образована дополнительным спиральным проводником, соединенным со спиральным проводником магнитокумулятивного генератора, и частью внутреннего проводника, кроме того, в накопительной полости соосно с внутренним проводником магнитокумулятивного генератора расположен кольцевой конический диэлектрический элемент, а все полости связаны с системой накачки электропрочным газом.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что кольцевой конический диэлектрический элемент выполнен с внутренней конической поверхностью и наружной цилиндрической поверхностью, примыкающей к внутренней поверхности дополнительного спирального проводника.

7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что угол между наружной поверхностью части внутреннего проводника, расположенного в накопительной полости, и внутренней поверхностью конического кольцевого диэлектрического элемента выполнен в соответствии с соотношением 7°30°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к магнитной кумуляции энергии, т.е. к области быстрого сжатия магнитного потока с помощью металлической оболочки, разгоняемой ударной волной взрывчатого вещества (ВВ), и к области формирования импульсов высоковольтного напряжения, которые могут быть использованы для запитки высокоимпедансных нагрузок, например, таких как электронные ускорители, лазеры, плазменные источники, СВЧ-устройства и т.п. Кроме того, высоковольтные импульсы напряжения могут быть использованы с целью изучения поведения объекта, подвергнутого такому воздействию.

Известны способ и устройство взрывной кумуляции магнитной энергии, см. сборник научных трудов "Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики" / Под редакцией А.П.Александрова - Ленинград: Наука, 1984, стр.260, рис.21. Способ включает операции создания начального магнитного потока, введения его в деформируемый контур, сжатия начального магнитного потока с помощью ударной волны заряда ВВ и выведения магнитной энергии в нагрузку, зашунтированную коаксиальной резистивной оболочкой (фольга, электрически взрывающие проводники (ЭВП) и т.п.), изменяющей свое сопротивление в процессе нагрева протекающим по ней током. При этом сжатие магнитного потока производят в металлическом контуре (коаксиальной полости) путем его деформирования расходящейся ударной волной от ВВ с уменьшением размеров полости. Выведение магнитной энергии в нагрузку и ее обострение осуществляют в процессе диффундирования генерируемого магнитного поля через наружную коаксиальную оболочку, которая в течение всего времени кумуляции нагревается (вплоть до электрического взрыва), что приводит к существенному увеличению ее сопротивления.

Для увеличения мощности генерируемого импульса и эффективной передачи энергии в высокоимпедансную нагрузку, имеющую сопротивление, измеряемое единицами и десятками Ом, необходимо, чтобы изменение индуктивности контура такого генератора происходило значительно быстрей, чем происходит рост омического сопротивления R всей электрической цепи контура в процессе всего времени кумуляции, т.е. необходимо, чтобы .

Данный магнитокумулятивный генератор (МКГ) имеет сравнительно малую начальную индуктивность, величина которой порядка ста наногенри. Это не позволяет за сравнительно короткое время его работы (порядка десяти микросекунд) обеспечить сравнительно большую скорость вывода (изменения) его индуктивности. Кроме того, для эффективного усиления энергии необходимо, чтобы остающаяся после деформации индуктивность, которая является в некотором роде индуктивным накопителем энергии, была небольшой (единицы наногенри). Это в свою очередь не позволяет на конечной стадии выведения энергии в нагрузку иметь большое сопротивление резистивной оболочки, которое необходимо для согласования МКГ с высокоимпедансными физическими приборами. В этом случае из-за малого значения индуктивности накопителя будет большое затухание тока в его цепи даже за время, измеряемое единицами наносекунд. Для решения же многих физических и технических задач ввод энергии должен происходить от нескольких десятков до сотни наносекунд. Реально же, для эффективной реализации способа аналога сопротивление резистивной оболочки не должно быть больше сотых долей Ом.

Недостатком данного способа и устройства является малая начальная индуктивность устройства и небольшая скорость вывода его индуктивности, не позволяющие обеспечить заданную амплитуду тока определенной длительности для эффективной передачи энергии и увеличения мощности генерируемого импульса в высокоимпедансной нагрузке.

Наиболее близким к заявляемому является магнитокумулятивный способ и устройство получения импульса напряжения, см. сборник научных трудов конференции "The 28^th IEEE International Conference on Plasma Science and The 13^th IEEE International Pulsed Power Conference/Ed. Robert Reinovsky and Mark Newton - Las Vegas, Nevada 2001, - доклад «Study of Fast Compact Helical MCG», стр.913, рис.1". Способ по прототипу включает операцию создания начального магнитного потока, сжатие его под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества в основной полости, вывод магнитного потока в накопительную полость и формирование импульса в нагрузке.

Устройство по прототипу Фиг.1 содержит спиральный магнитокумулятивный генератор, состоящий из коаксиальных наружного спирального проводника 1 и внутреннего проводника 2 с зарядом взрывчатого вещества 3, образующие между собой основную полость 4 сжатия магнитного потока, а также накопительную полость 5 и нагрузку 6. Нагрузка 6 зашунтирована массивом электрически взрывающихся проводников 11 (ЭВП), изменяющих свое сопротивление в сотни раз в процессе нагрева протекающим по ним током. Сами ЭВП размещены в накопительной полости 5, где и происходит с их помощью формирование импульса.

Операцию сжатия магнитного потока осуществляют в основной полости, с внутренней стороны ограниченной внутренним цилиндрически-коническим проводником, а с наружной спиральным проводником (соленоидом). Во время операции сжатия продукты взрыва деформируют только осесимметричный внутренний проводник. Из-за применения спирального проводника, являющегося частью данного контура Фиг.2, удается существенно увеличить индуктивность основной полости L_I, скорость вывода ее индуктивности , а также величину индуктивности L_II накопительной полости, на которую работает МКГ. Наличие больших значений L _II (например, порядка 1 мкГн) позволяет использовать такой проводник, который на момент окончания работы МКГ будет изменять свое первоначальное сопротивление в процессе его нагрева электрическим током в сотни раз, обеспечивая большие значения сопротивления (единицы-десятки Ом), необходимые для эффективного формирования импульса в нагрузке. При этом, хотя данное сопротивление будет большое, его величина не будет критичной (не окажет существенного влияния на процесс затухания тока в цепи контура накопительной полости) за те времена (порядка ста наносекунд), в течение которых будет происходить передача энергии в высокоимпедансную нагрузку с ее обострением. В результате удастся сформировать мощный импульс энергии в нагрузке.

Недостатком способа и устройства по прототипу является недостаточный уровень генерируемой магнитной энергии и мощности, обусловленные нарастающим в процессе работы электрическим напряжением в МКГ, максимальная величина которого ограничена пробоями, т.е. электрической прочностью. А недостаточный уровень генерируемого импульса напряжения на изменяющем сопротивлении, расположенном в контуре накопительной полости, связанный со значительным уменьшением скорости вывода индуктивности МКГ на конечной стадии работы из-за существенного увеличения шага спирали, приводит к ограничениям по амплитуде и длительности импульса тока в нагрузке.

При создании данного изобретения решалась задача создания способа и устройства, которые позволяли бы использовать полученные мощные импульсы магнитной энергии в высокоимпедансных нагрузках с длительностью много меньше микросекунды в исследовательских, экспериментальных и прикладных областях.

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в увеличении мощности, амплитуды импульса тока, сокращении длительности импульса, а также в повышении электропрочности.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным магнитокумулятивным способом для получения импульса напряжения, включающим операции создания начального магнитного потока, сжатия его под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества в основной полости, вывода магнитного потока в накопительную полость и формирования импульса в нагрузке, дополнительно сжатие магнитного потока производят в накопительной полости, а формирование импульса осуществляют в дополнительной полости формирования, причем основную, накопительную и полость формирования заполняют электропрочным газом, например элегазом SF₆ или его смесью с другими газами. В ряде случаев основную, накопительную и полость формирования заполняют различными электропрочными газами или их смесями под разными давлениями.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для осуществления магнитокумулятивного способа получения импульса напряжения, включающим спиральный магнитокумулятивный генератор, содержащий коаксиальные наружный спиральный проводник и внутренний проводник с зарядом взрывчатого вещества, образующие между собой основную полость сжатия магнитного потока, а также накопительную полость и нагрузку, оно дополнительно содержит полость формирования импульса, расположенную между накопительной полостью и нагрузкой. Накопительная полость образована дополнительным спиральным проводником, соединенным со спиральным проводником МКГ, и частью внутреннего проводника. В накопительной полости соосно с внутренним проводником МКГ расположен кольцевой конический диэлектрический элемент. Все полости связаны с системой накачки электропрочным газом. Кольцевой конический диэлектрический элемент выполнен с наружной цилиндрической поверхностью, примыкающей к внутренней поверхности дополнительного спирального проводника, и внутренней конической поверхностью. Угол между наружной поверхностью части внутреннего проводника, расположенного в накопительной полости, и внутренней поверхностью конического кольцевого диэлектрического элемента выполнен в соответствии с соотношением 7°30°.

В заявляемом способе сжатие магнитного потока осуществляют дополнительно в полости формирования. Таким образом, устройство содержит 3 полости Фиг.4: основную I, накопительную II и полость формирования III.

Основная и накопительная полости образованы сопряженными многовитковыми катушками, расположенными в зоне деформации внутреннего проводника (лайнера), сжатие магнитного потока в них осуществляется непрерывно в течение всего процесса. Высокая индуктивность спирального проводника в сочетании с достаточно высокой выводимой индуктивностью дополнительного спирального проводника накопительной полости обеспечивает достижение большой скорости изменения индуктивности и вытеснения магнитного потока в течение всего времени работы МКГ.

Следовательно, за счет того, что происходит изменение индуктивности в накопительной полости , наблюдается более строгое выполнение условия , необходимого для эффективной работы МКГ. В этом случае рост сопротивления ЭВП в процессе всего времени кумуляции будет приводить к меньшим омическим потерям из-за большей добротности электрической цепи контура, что обеспечит больший ток и, как следствие, и большую энергию. Также это позволяет в разумных пределах перейти к использованию несколько большего сопротивления ЭВП без значительных дополнительных энергетических потерь, т.к. существенное изменение величины сопротивления происходит за очень короткий промежуток времени на заключительной стадии работы устройства. Тем самым можно будет уменьшить длительность импульса в нагрузке и повысить мощность.

Кроме того, это позволяет ввести дополнительную полость формирования, расположенную между накопительной полостью и нагрузкой, со сравнительно небольшой постоянной индуктивностью L_III. В ней размещены ЭВП и происходит формирование импульса напряжения. Так как индуктивность L_III полости формирования в любой момент времени всегда меньше переменной индуктивности L_II накопительной полости, то в процессе работы МКГ напряжение на входе полости формирования будет определяться величиной (I - ток в цепи), что значительно меньше, чем в прототипе. Тем не менее в момент электрического взрыва сам генератор будет работать на прежнюю большую индуктивность, определяемую оставшейся L _II и L_III. Следовательно, в полости формирования имеется дополнительная возможность по генерированию большей магнитной энергии, т.к. электропрочность ее входа обладает достаточным запасом, позволяющим работать МКГ в более насыщенном режиме. Кроме того, наличие такого важного фактора, как сжатие магнитного потока в части контура накопительной полости приведет к появлению дополнительной электродвижущей силы (ЭДС), которая возникает при деформации токового контура накопительной полости . Это делает работу МКГ менее зависимой от параметров ЭВП. Поэтому будет происходить увеличение конечного тока в контуре формирования и, как следствие, величины напряжения на ЭВП. Применение кольцевого конического элемента в накопительной полости позволяет зафиксировать величину оставшейся индуктивности этой полости (как упоминалось ранее, она изменяется в процессе работы МКГ) в результате торможения внутреннего проводника, деформируемого продуктами ВВ, на поверхности конуса в момент электрического взрыва. Угол между элементами накопительной полости подбирается таким образом, чтобы он был равен или несколько больше угла разлета внутреннего проводника (лайнера). Угол между наружной поверхностью части внутреннего проводника, расположенного в накопительной полости, и внутренней поверхностью конического кольцевого диэлектрического элемента выполнен в соответствии с соотношением 7°30°. В зависимости от состава ВВ, его количества, габаритов внутреннего проводника в МКГ и базы его полета скорость деформации лайнера может изменяться от 12% до 50% по отношению к скорости детонации ВВ. Это определяет приведенное соотношение для (0,12tg0,5). Кроме того, так как данный спиральный проводник накопительной полости закрыт кольцевым коническим диэлектрическим элементом, то удается защитить его от электрических пробоев, которые могут иметь место между спиральным проводником и внутренним проводником. Тем самым будет усилена электропрочность выхода устройства.

Заполнение всех полостей электропрочным газом позволяет дополнительно усилить электропрочность как МКГ вместе с накопительной полостью, так и полость формирования. Также это позволяет в полости формирования в момент электрического взрыва предотвратить пробой по парам взорвавшихся проволочек, обеспечивая тем самым требуемые параметры напряжения. В качестве электропрочного газа наиболее часто используют элегаз (SF₆) или его смесь с другими газами, например с азотом. В процессе работы устройства в полостях будет разное напряжение. В зависимости от его значения можно использовать электропрочные газы или их смеси с различными характеристиками по электрической прочности, чтобы снизить неэффективное применение более дорогих и редких газов. Если в обычных условиях электропрочностные характеристики в устройстве не удается обеспечить с помощью этих газов или их смесей, то полости заполняют электропрочными газами под различным давлением. Так, например, если в элегазе изменить давление на 1 атм, то пробивное напряжение, связанное с пробоем по поверхности изолятора, возрастает примерно в 1,5 раза.

Все эти условия позволяют увеличить выход энергии в нагрузку и повысить ее мощность за счет увеличения импульса тока и напряжения.

На Фиг.1 изображено устройство для осуществления магнитокумулятивного способа по прототипу.

На Фиг.2 изображена схема по прототипу.

На Фиг.3 изображено заявляемое устройство для осуществления заявляемого магнитокумулятивного способа получения импульса напряжения.

На Фиг.4 изображена заявляемая схема.

Схема на Фиг.2 содержит переменные индуктивность и сопротивление основной полости (L_I, R_I), постоянную индуктивность накопительной полости (L_II), постоянную индуктивность ЭВП (L _эвп) и переменное их сопротивление (R_эвп), а также постоянные индуктивность и сопротивление нагрузки (L _H, R_н) и ключ К, с помощью которого она подключается к МКГ. Использование ключа, подключающего нагрузку только при достижении на ЭВП заданного напряжения, позволяет сократить длительность импульса, влияя тем самым на процесс формирования мощности.

Отличие схемы на Фиг.4 от схемы, показанной на Фиг.2, заключается в том, что накопительная полость имеет переменную индуктивность и постоянное сопротивление (R_II), а также указаны индуктивность и сопротивление (L_III, R_III ), которые относятся к дополнительной полости формирования.

Устройство Фиг.3 для осуществления заявляемого способа включает спиральный МКГ, содержащий коаксиальные наружный спиральный проводник 1 и внутренний проводник 2 с зарядом ВВ 3, образующие между собой основную полость 4 сжатия магнитного потока, а также накопительную полость 5, нагрузку 6 и дополнительную полость формирования импульса 7. Накопительная полость 5 образована частью внутреннего проводника 2 и дополнительным спиральным проводником 8, соединенным со спиральным проводником 1 МКГ. В накопительной полости 5 коаксиально относительно проводников 1 и 2 расположен кольцевой конический диэлектрический элемент 9. Полости 4, 5, 7 связаны с системой накачки 10 электропрочным газом. Конический кольцевой диэлектрический элемент 9 выполнен с наружной цилиндрической поверхностью, примыкающей к внутренней поверхности дополнительного проводника 8 и внутренней конической поверхностью. Угол между наружной поверхностью части внутреннего проводника, расположенного в накопительной полости, и внутренней поверхностью конического кольцевого диэлектрического элемента выполнен в соответствии с соотношением 7°30°. Кроме того, устройство содержит в полости 7 формирования ЭВП 11, имеет систему инициирования 12 заряда 3 и замыкатель тока13. Данная спецификация также совпадает для Фиг.1, где показано устройство, выбранное в качестве прототипа.

Заявляемый МК-способ получения импульса напряжения включает создание начального магнитного потока в основной полости 4, например, от конденсатора. Далее производят сжатие потока под действием продуктов взрыва заряда ВВ 3 в основной полости 4, и магнитный поток выводят в накопительную полость 5. Дополнительно сжатие магнитного потока осуществляют в накопительной полости 5. Формирование импульса осуществляют в дополнительной полости формирования 7. До операции создания начального магнитного потока все полости (основная 4, дополнительная 5 и формирования 7) заполняют электропрочным газом, например элегазом SF₆ , или его смесью с другими газами. Полости могут быть заполнены различными электропрочными газами или их смесями под различным давлением.

Устройство на Фиг.3 работает следующим образом.

Источник начальной энергии подключается к началу спирального проводника 1 основной полости и к окончанию спирального проводника 8 накопительной полости. В заданный момент времени источник начальной энергии начинает разрежаться. Через определенный промежуток времени система инициирования 12 осуществляет подрыв заряда 3. Распространяющая детонация по заряду приводит к деформации внутреннего проводника 2, связанной с его растяжением. Это в свою очередь приводит к уменьшению индуктивности основной полости 4, т.е. к началу работы МКГ, определяемому моментом замыкания внутреннего проводника 2 с замыкателем тока 13. С этого момента времени магнитный поток начинает вытесняться в полость формирования 7. Происходит генерирование магнитной энергии и нагрев ЭВП 11, размещенных в ней. Через определенный момент времени детонация выходит к заряду, расположенному в накопительной полости 5, и вызывает деформацию той части внутреннего проводника 4, которая находится в этой полости. С этого момента времени начинает уже уменьшаться и индуктивность накопительной полости 5. Разлет внутреннего проводника 4 в накопительной полости 5 ограничен кольцевым коническим диэлектрическим элементом 9. В этот момент времени обычно происходит электрический взрыв проводников 6 с появлением на них высокого напряжения. При работе устройства обычно используются два варианта подключения нагрузки 6. Чаще всего, так как нагрузка является высокоимпедансная, она подсоединена параллельно ЭВП 11 и сразу электрически связана с полостью формирования 5 (ключ К - замкнут). В этом случае основное нарастание амплитуды тока в нагрузке 6 будет происходить только на заключительной стадии, когда наблюдается резкое (в сто и больше раз) увеличение сопротивления ЭВП 11 от сотых долей до несколько десятков Ом. Второй вариант подключения нагрузки связан с использованием разомкнутого ключа К (разрядник К настроен на заданную величину напряжения) Фиг.2 и Фиг.4.

В примере реализации устройства использовался восьмисекционный спиральный МКГ, соединенный непосредственно с переменной накопительной полостью и имеющий дополнительную полость формирования. Спиральные проводники в генераторе и в накопительной полости наматывались на диаметре 60 мм, а общая длина двух катушек была ˜250 мм. Внутренний проводник (лайнер) был алюминиевый с коническим расширением со стороны подключения полости формирования. Максимальный наружный диаметр на коническом участке 45 мм. Длина конического участка лайнера 120 мм. Наружный диаметр лайнера на цилиндрическом участке составляет 31 мм, внутренний диаметр - 20 мм. В лайнере применяется заряд ВВ из пластического состава. Масса заряда ВВ составляет ˜270 г. Начальная индуктивность МКГ с накопительной полостью составила ˜1 мГн. Индуктивность полости формирования была порядка 0,04 мкГн.

Накопительная полость, индуктивность которой изменяется в процессе работы, закрыта кольцевьм коническим диэлектрическим элементом. Данная вставка, кроме защиты секции и выхода генератора от электрических пробоев, нужна еще и для фиксирования значения индуктивности накопительной полости в момент ЭВП. Угол конического отверстия в диэлектрическом элементе обычно подбирается таким образом, чтобы он был равен или несколько больше угла разлета лайнера. В конкретном случае угол (Фиг.3) равнялся 12°.

В примере реализации заявляемого способа начальный магнитный поток ˜0,17 Вб создавался от конденсаторной батареи емкостью 1 мкФ, заряженной до напряжения 9 кВ. Сжатие его осуществлялось в основной полости и в накопительной полости, имеющих суммарную начальную индуктивность 1 мГн. Вывод магнитного потока в накопительную полость и полость формирования происходил до момента, пока их общая индуктивность не уменьшилась до ˜1 мкГн. При этом формирование импульса происходило в полости формирования, где осуществлялся электрический взрыв проводников. Полное время срабатывания МКГ составляло ˜25 мкс, а характерное время нарастания тока (увеличение на заключительной стадии в е-раз) в ЭВП ˜2,5 мкс. Для увеличения электропрочности устройства все полости были заполнены SF₆ под давлением ˜5 атм. В качестве ЭВП использовались 16 медных проволочек, каждая длиной 100 мм и диаметром 0,1 мм.

При работе заявляемого устройства в индуктивности ˜1000 мкГн, величина которой складывалась из оставшейся на момент ЭВП индуктивности накопительной полости и из индуктивности полости формирования, была получена магнитная энергия 780 Дж. При этом на ЭВП было получено напряжение 113 кВ. (В прототипе величина напряжения на ЭВП была 74 кВ.) В нагрузке индуктивностью 0,03 мкГн и сопротивлением 25 Ом был сформирован импульс амплитудой 4,5 кА и длительностью ˜100 нс.

Таким образом, заявляемый способ и устройство по сравнению с прототипом позволяют увеличить мощность в 2, 33 раза, амплитуду напряжения в 1,53 раза, амплитуду тока в 1,52 раза, сократить длительность импульса в 1,1 раза и повысить электропрочность выхода МКГ примерно в 1,5 раза. В прототипе, когда накопительная полость не выводилась и в ней располагались ЭВП, было получено на ЭВП напряжение 74 кВ. При этом начальные условия были прежними.