PL235576B1

PL235576B1 - System for testing in strong electromagnetic pulse fields

Info

Publication number: PL235576B1
Application number: PL425773A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Bednarek
Original assignee: Univ Lodzki
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2020-09-07
Also published as: PL425773A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ do badań w silnych impulsowych polach elektromagnetycznych, mający zastosowanie w technice laboratoryjnej, szczególnie do testowania odporności materiałów i układów elektronicznych na silne impulsy mikrofalowe.The subject of the invention is a system for testing in strong pulsed electromagnetic fields, applicable in laboratory technology, in particular for testing the resistance of materials and electronic systems to strong microwave pulses.

Znane układy do wytwarzania silnych impulsowych pól magnetycznych opisane są w monografii pod redakcją J. Schneider-Muntau, zatytułowanej „High magnetic fields: Applications, generations, materials”, opublikowanej przez wydawnictwo World Scientific w Singapurze, New Jersey, Londynie i Hongkongu w 1997 r. Układy te zawierają baterie kondensatorów, które są przyłączane do cewki. Działanie tych układów polega na tym, że po naładowaniu baterii zachodzi jej szybkie rozładowanie przez przyłączoną cewkę, co prowadzi do przepływu prądu elektrycznego o dużym natężeniu i wytworzeniu impulsu silnego pola magnetycznego oraz towarzyszącego temu impulsowego pola elektrycznego.Known systems for generating strong pulsed magnetic fields are described in a monograph edited by J. Schneider-Muntau, entitled "High magnetic fields: Applications, generations, materials", published by World Scientific in Singapore, New Jersey, London and Hong Kong in 1997. These circuits include capacitor banks that are connected to a coil. The operation of these systems is based on the fact that after the battery is charged, it is quickly discharged through the connected coil, which leads to the flow of high intensity electric current and generation of a strong magnetic field impulse and the accompanying pulsed electric field.

Również w monografii pod redakcją J. F. Herlacha i N. Miury, zatytułowanej „High Magnetic Fields Science and Technology, Vol. 1 Magnet Technology and Experimental Technique”, opublikowanej przez wydawnictwo World Scientific w New Jersey, Londynie, Singapurze, Szanghaju, Hongkongu, Tajpej i Bangalore w 2003 r., opisane są znane układy do wytwarzania silnych impulsowych pól magnetycznych, zwierające baterie kondensatorów i cewki, podobne jak w poprzednio cytowanej monografii. Ponadto z tej monografii znane są układy do wytwarzania silnych pól magnetycznych przez tzw. wybuchową kompresję strumienia magnetycznego. Układy te zwierają cewkę zasilaną impulsowo z baterii kondensatorów, wewnątrz której znajduje się liner w postaci metalowej rury z podłużną szczeliną, a na zewnątrz umieszczony jest ładunek wybuchowy i detonator. Działanie tych układów polega na tym, że cewka podczas przepływu przez nią silnego impulsu prądu wytwarza początkowy strumień magnetyczny wewnątrz linera. Następnie zostaje zdetonowany ładunek wybuchowy, który powoduje zamknięcie szczeliny linera i jego radialne ściskanie. W wyniku tego w ściance linera, poruszającej się prostopadle do kierunku początkowego pola magnetycznego, indukowany jest prąd elektryczny, powodujący wytworzenie jeszcze silniejszego pola magnetycznego wewnątrz linera, gdzie znajduje się badana próbka. Początkowy strumień magnetyczny jest przy tym zachowany, więc indukcja pola magnetycznego wzrasta. Z tej samej monografii znane są też układy z kompresją strumienia magnetycznego, w których zamiast materiału wybuchowego używa się do tego celu dodatkowych cewek, zasilanych impulsowo. W układach z kompresją strumienia magnetycznego zarówno cewki, jak i badane próbki ulegają zniszczeniu.Also in the monograph edited by JF Herlach and N. Miura, entitled "High Magnetic Fields Science and Technology, Vol. 1 Magnet Technology and Experimental Technique", published by World Scientific publishing house in New Jersey, London, Singapore, Shanghai, Hong Kong, Taipei and Bangalore in 2003, known systems for generating strong pulsed magnetic fields containing capacitor banks and coils are described, similar to the previously cited monograph. Moreover, from this monograph there are known systems for generating strong magnetic fields by so-called explosive compression of the magnetic flux. These systems consist of a pulse-powered coil from a capacitor bank, inside which there is a liner in the form of a metal tube with a longitudinal slot, and outside there is an explosive charge and a detonator. The operation of these systems is that the coil, while a strong pulse of current flows through it, creates an initial magnetic flux inside the liner. Then an explosive charge is detonated, which closes the liner gap and compresses it radially. As a result, an electric current is induced in the liner wall moving perpendicular to the direction of the initial magnetic field, creating an even stronger magnetic field inside the liner where the sample is located. The initial magnetic flux is thus preserved, so that the magnetic field induction increases. From the same monograph, systems with magnetic flux compression are also known, in which, instead of an explosive, additional impulse-powered coils are used for this purpose. In systems with magnetic flux compression, both the coils and the tested samples are destroyed.

Układy do wytwarzania silnych pól elektromagnetycznych znane są też z podręcznika J. Benforda, J. A. Swegle i E. Schamiloglu pod tytułem „High power microwaves“, opublikowanego przez wydawnictwo Taylor and Francis w Nowym Jorku i Londynie w 2007 r. Znane układy zawierają lampy mikrofalowe, takie jak magnetrony lub wirkatory. Układ z magnetronem wysyła rozbieżny impuls mikrofalowy w kierunku matrycy złożonej z anten, utworzonych ze skrzyżowanych pasków które przekształcają go we wiązkę równoległą i wypromieniowują. Układ z wirkatorem wytwarza impuls elektromagnetyczny, który zasila sprzężoną nim antenę helikalną i jest przez nią wypromieniowywany.Systems for generating strong electromagnetic fields are also known from the textbook of J. Benford, JA Swegle and E. Schamiloglu entitled "High power microwaves", published by Taylor and Francis publishing house in New York and London in 2007. Known systems include microwave lamps, such as magnetrons or rotators. The magnetron system sends a divergent microwave pulse towards an array of antennas made of crossed stripes which transform it into a parallel beam and radiate it. The rotor system generates an electromagnetic pulse which feeds the helical antenna coupled with it and is radiated by it.

Z artykułu, którego autorami są: B. E. Kane, A. S. Dzurak, G. R. Facer, R. G. Clark, R. P. Starrett, A. Skougarevsky i N. E. Lumpkin, zatytułowanego “Measurement instrumentation for electrical transport experiments in extreme pulsed magnetic flux compression” i opublikowanego przez czasopismo, “Review of Scientific Instruments”, Vol. 68, No. 10, 1997 r., znany jest układ do badania zjawisk transportu ładunków elektrycznych w materiałach. W tym układzie wytwarzanie silnego impulsu pola elektromagnetycznego odbywa się przez wybuchową kompresję strumienia magnetycznego, w sposób podobny, jak we wcześniej cytowanych monografiach. Różnica polega na tym, że zastosowano kompresję trzystopniową, dzięki umieszczeniu wokół cewki trzech współosiowych cylindrów wykonanych z materiału wybuchowego, które detonowane są kolejno. Ponadto wewnątrz cewki znajduje się dolna część kriostatu, zawierającego ciekły hel, w którym umieszczone są badane próbki.From an article by BE Kane, AS Dzurak, GR Facer, RG Clark, RP Starrett, A. Skougarevsky, and NE Lumpkin entitled "Measurement instrumentation for electrical transport experiments in extreme pulsed magnetic flux compression" and published by the journal, " Review of Scientific Instruments ”, Vol. 68, No. 10, 1997, there is a known system for studying the phenomena of transporting electric charges in materials. In this system, the generation of a strong pulse of the electromagnetic field is carried out by explosive compression of the magnetic flux, in a manner similar to the previously cited monographs. The difference is that three-stage compression is applied, thanks to the placement of three coaxial explosive cylinders around the coil, which are detonated sequentially. In addition, inside the coil is the lower part of the cryostat containing liquid helium in which the test samples are placed.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że układ do badań w silnych impulsowych polach elektromagnetycznych zawiera zespół modułowych generatorów mikrofal, ustawionych zbieżnie, przez co ich kierunki emisji przecinają się w jednym punkcie, w którym umieszczony jest badany obiekt. Każdy z modułowych generatorów zawiera wirkator z otaczającą go cewką, przyłączony do umieszczonych w generatorze zasilaczy, dających stałe napięcie cewki oraz impulsowe napięcie anodowe. Każdy z zasilaczy zawiera załączający go przekaźnik, a ponadto we wszystkich modułowych generatorach przekaźniki zasilaczy poszczególnych rodzajów napięć - cewki oraz anodowego, zostały przyłączone do wspólnych źródeł napięć, które je załączają i są umieszczone na zewnątrz generatorów, przy czymThe essence of the solution according to the invention consists in the fact that the system for testing in strong pulsed electromagnetic fields comprises a set of modular microwave generators arranged convergingly, so that their emission directions intersect at one point where the tested object is placed. Each of the modular generators includes a rotor with a surrounding coil connected to power supplies within the generator, providing a constant coil voltage and a pulsed anode voltage. Each of the power supplies contains a relay that switches it on, and in all modular generators, the relays of power supplies of particular types of voltages - coil and anode voltage - have been connected to common voltage sources that switch them on and are located outside the generators, while

PL 235 576 B1 przewody łączące generatory znajdujące się bliżej źródeł napięć załączających mają dodatkowe odcinki wydłużające, co powoduje wyrównanie długości wszystkich przewodów. Z wyjściem każdego wirkatora sprzężona jest antena mikropaskowa, znajdująca się na początku cylindrycznego falowodu, umieszczonego w modułowym generatorze wzdłuż kierunku emisji mikrofal i zakończonego parabolicznym kondensorem Fresnela, wykonanym z dielektryka, korzystnie z polichlorku winylu. Ogniska wszystkich kondensorów znajdują się w punkcie, w którym umieszczony jest badany obiekt.The cables connecting the generators closer to the switching voltage sources have additional extending sections, which equalizes the length of all cables. Coupled to the output of each rotor is a microstrip antenna located at the beginning of a cylindrical waveguide located in the modular generator along the direction of microwave emission and terminated by a parabolic Fresnel condenser made of dielectric, preferably polyvinyl chloride. The fires of all condensers are located at the point where the tested object is placed.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że umożliwia wytwarzanie w sposób nieniszczący układu wielokrotnie powtarzalnych, silnych impulsów pola elektromagnetycznego o zadanym rozkładzie przestrzennym oraz zadanej zależności indukcji i natężenia od czasu.The advantage of the solution according to the invention is that it enables the non-destructive generation of a system of repeatedly repetitive, strong electromagnetic field pulses with a given spatial distribution and a given dependence of induction and intensity on time.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia rozmieszczenie i schemat połączeń modułowych generatorów, fig. 2 pokazuje budowę modułowego generatora, a fig. 3 uwidacznia przekrój osiowy parabolicznego kondensora Fresnela.The subject matter of the invention is shown in the embodiment and in the drawing, in which Fig. 1 shows the arrangement and connection diagram of modular generators, Fig. 2 shows the structure of a modular generator, and Fig. 3 shows an axial section of a parabolic Fresnel condenser.

Układ do badań w silnych impulsowych polach elektromagnetycznych zawiera zespół modułowych generatorów mikrofal 1, ustawionych zbieżnie, przez co ich kierunki emisji przecinają się w jednym punkcie, w którym umieszczony jest badany obiekt 2. Każdy z modułowych generatorów 1 zawiera wirkator 3 z otaczającą go cewką 4, przyłączony do umieszczonych w generatorze zasilaczy 5, 6, dających stałe napięcie cewki oraz impulsowe napięcie anodowe. Każdy z zasilaczy 5, 6 zawiera załączający go przekaźnik, a ponadto we wszystkich modułowych generatorach 1 przekaźniki zasilaczy napięcia cewki i anodowego zostały przyłączone do wspólnych źródeł napięć 7, 8, które je załączają i są umieszczone na zewnątrz generatorów, przy czym przewody łączące generatory znajdujące się bliżej źródeł napięć załączających mają dodatkowe odcinki wydłużające, co powoduje wyrównanie długości wszystkich przewodów. Z wyjściem każdego wirkatora 4 sprzężona jest antena mikropaskowa 9, znajdująca się na początku cylindrycznego falowodu 10, umieszczonego w modułowym generatorze wzdłuż kierunku emisji mikrofal i zakończonego parabolicznym kondensorem Fresnela 11, wykonanym z dielektryka, korzystnie z polichlorku winylu. Ogniska wszystkich kondensorów 11 znajdują się w jednym punkcie, w którym umieszczony jest badany obiekt 2.The system for testing in strong pulsed electromagnetic fields includes a set of modular microwave generators 1 arranged converging, so that their emission directions intersect at one point where the tested object 2 is placed. Each of the modular generators 1 includes a rotor 3 with a coil 4 surrounding it connected to the power supplies 5, 6 located in the generator, giving a constant coil voltage and an anode pulse voltage. Each of the power supplies 5, 6 includes a relay that turns it on, and furthermore, in all modular generators 1, the relays of the coil and anode voltage power supplies have been connected to common voltage sources 7, 8 which switch them on and are located outside the generators, the wires connecting the generators located They have additional extending sections closer to the voltage sources, which equalizes the length of all cables. Coupled to the output of each rotor 4 is a microstrip antenna 9 located at the beginning of a cylindrical waveguide 10 located in a modular generator along the direction of microwave emission and terminated by a parabolic Fresnel condenser 11 made of dielectric, preferably polyvinyl chloride. The fires of all the condensers 11 are located at one point where the tested object 2 is placed.

Zasada działania układu do badań w silnych impulsowych polach elektromagnetycznych polega na tym, że najpierw wysyłany jest impuls ze wspólnego źródła 7, co powoduje załączenie zasilaczy 5, dających napięcia zasilania cewki. Z kolei wysyłany zostaje impuls ze wspólnego źródła 8, powodujący załączenie zasilaczy 6, dających impulsowe napięcie anodowe. Chmura elektronów wyemitowana wewnątrz wirkatora 3 porusza się wtedy w polu magnetycznym, co powoduje jej zmianę kierunku ruchu i oscylacje. Skutkuje to wytworzeniem impulsu oscylującego napięcia o częstotliwości mikrofalowej. Dodatkowe odcinki wydłużające przewodów łączących generatory modułowe 1, znajdujące się bliżej źródeł napięć załączających, powodują że czasy przejścia impulsów załączających są równe i zasilacze 5, 6 zostają uruchomione jednocześnie. Oscylujące napięcia wytworzone przez każdy wirkator 3 jest przenoszone na sprzężoną z nimi antenę mikropaskową 9, która powoduje wyemitowanie impulsu mikrofal w postaci równoległej wiązki 12, wchodzącej do cylindrycznego falowodu 10. Wiązka ta przechodzi następnie przez paraboliczny kondensor Fresnela 11 i ulega załamaniu na jego zakrzywionych powierzchniach, przekształcając się w ten sposób we wiązkę zbieżną 13, której punkt skupienia znajduje się w badanym obiekcie 2. Ponieważ po skupieniu przekrój poprzeczny każdej wiązki 12 zostaje zmniejszony i w tym samym punkcie zbiegają się wiązki pochodzące ze wszystkich generatorów modułowych 1, to zgodnie zasadą zachowania energii i zasadą superpozycji, indukcja i natężenie wypadkowego pola elektromagnetycznego w badanym obiekt 2 są znacznie większe, niż w przypadku umieszczenia tego obiektu w polu wiązki równoległej, wychodzącej z pojedynczego wirkatora. Parametry impulsu pola wypadkowego, takie jak czas jego trwania, wartości indukcji i natężenia oraz częstotliwość zmian, mogą być zadawane przez zmianę wartości i czasu przyłożenia napięcia anodowego i napięcia zasilającego cewki 4. Zastosowanie parabolicznego kondensora 11 Fresnela, w którym powierzchnie boczne rowków są pierścieniami wyciętymi z paraboloidy obrotowej, pozwala na usunięcie aberracji sferycznej, występującej w przypadku zastosowania jako kondensora znanej soczewki Fresnela o rowkach stanowiących pierścienie wycięte z powierzchni sferycznej. Ponadto wykonanie kondensora Fresnela wymaga mniej materiału, niż kondensora w postaci soczewki pełnej. Zastosowanie polichlorku winylu do wykonania kondensora Fresnela 11 jest korzystne ze względu na stosunkowo wysoką stałą dielektryczną i wynikający stąd duży współczynnik załamania, a także mały współczynnik pochłaniania mikrofal tego materiału, co zapewnia efektywne działanie skupiające kondensatora.The principle of operation of the system for testing in strong pulsed electromagnetic fields is based on the fact that first an impulse is sent from a common source 7, which causes switching on the power supplies 5, which provide the coil supply voltage. In turn, an impulse from the common source 8 is sent, causing the power supplies 6 to switch on, which provide a pulse anode voltage. The electron cloud emitted inside the rotor 3 then moves in the magnetic field, which causes its direction to change and to oscillate. This results in the generation of an oscillating voltage pulse with a microwave frequency. Additional lengths of cables connecting modular generators 1, located closer to the switching voltage sources, cause the switching pulses transit times to be equal and the power supplies 5, 6 are activated simultaneously. The oscillating voltages produced by each rotor 3 are transferred to a microstrip antenna 9 coupled thereto, which emits a microwave pulse in the form of a parallel beam 12 entering a cylindrical waveguide 10. This beam then passes through a parabolic Fresnel condenser 11 and is refracted on its curved surfaces. , thus transforming into a convergent beam 13, the focus of which is in the examined object 2. Since after focusing, the cross-section of each beam 12 is reduced and the beams from all modular generators 1 converge at the same point, the principle of conservation of energy and the superposition principle, the induction and intensity of the resultant electromagnetic field in the examined object 2 are much greater than in the case of placing this object in the field of a parallel beam coming from a single rotor. The parameters of the resultant field pulse, such as its duration, induction and intensity values, and the frequency of changes, can be set by changing the value and time of the anode voltage and the coil supply voltage 4. Use of a parabolic Fresnel 11 condenser in which the side surfaces of the grooves are cut rings from the rotational paraboloid, it allows to remove the spherical aberration, which occurs when the known Fresnel lens is used as a condenser, with grooves constituting rings cut from the spherical surface. Moreover, the construction of a Fresnel condenser requires less material than a full-lens condenser. The use of polyvinyl chloride for the Fresnel condenser 11 is advantageous due to the relatively high dielectric constant and hence high refractive index, as well as the low microwave absorption coefficient of this material, which ensures an efficient focusing effect of the condenser.

Claims

Patent claims

1. A system for testing in strong pulsed electromagnetic fields, using rotators with coils surrounding them, characterized in that it includes a set of modular microwave generators (1) arranged convergingly, so that their emission directions intersect at one point where the the tested object (2), and in each of the modular generators (1) the rotator (3) was connected to the power supplies (5) located in the modular generator (1), (6) giving constant voltage, respectively, coils and pulse anode voltage, moreover, each of the power supplies (5), (6) contains a relay that turns it on, and in addition, in all modular generators (1), the relays of the coil and anode voltage power supplies are connected to common voltage sources (7), (8) that switch them on and are located outside the generators , the cables connecting modular, generators (1) located closer to the sources of making voltages have additional extending sections, and in addition, with the output of each rotor (3) the microstrip antenna (9) is coupled, located at the beginning of the cylindrical waveguide (10), placed in the modular generator along the direction of microwave emission and ending with a parabolic Fresnel condenser (11) made of a dielectric, and moreover, the foci of all condensers (11) are located in the point where the tested object is placed (2).

2. The system according to claim The method of claim 1, characterized in that the parabolic Fresnel condenser (11) is preferably made of polyvinyl chloride.