RU2065247C1

RU2065247C1 - Magnetocumulative generator

Info

Publication number: RU2065247C1
Application number: RU93046514A
Authority: RU
Inventors: А.И. Быков; М.И. Долотенко; Н.П. Колокольчиков; О.М. Таценко
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1993-10-06
Filing date: 1993-10-06
Publication date: 1996-08-10

Abstract

FIELD: production of superstrong pulsed magnetic fields. SUBSTANCE: magnetocumulative generator has one or more coaxial cylindrical shells, facility for building up initial magnetic field within them, and facility for compressing the shells. The latter are made of composite material and built around metal piston and insulating material with initial electric conductivity lower than 1 (Ohm.cm)-1 and in shock state, over 5.10³ (Ohm.cm)-1. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

В 1951 году академик А.Д.Сахаров предложил идею магнитокумулятивного способа получения сверхсильных магнитных полей [1] преобразования энергии взрыва химического или атомного в энергию магнитного поля. Тем самым была открыта новая область техники техника получения сверхсильных магнитных полей методом магнитной кумуляции, область применения которой часть физики высоких плотностей энергии, а именно мегагауссная физика, основным содержанием которой в настоящее время является изучение свойств вещества в экстремальных условиях. In 1951, Academician A.D. Sakharov proposed the idea of a magnetocumulative method for producing superstrong magnetic fields [1] converting the energy of a chemical or atomic explosion into magnetic field energy. Thus, a new field of technology was discovered, the technique of producing superstrong magnetic fields by magnetic cumulation, the scope of which is part of high energy density physics, namely megauss physics, the main content of which is currently studying the properties of matter under extreme conditions.

Источником магнитных полей более 2 МГс для таких исследований является описанный там же магнитокумулятивный (взрывомагнитный) генератор МК-1, состоящий из металлической цилиндрической оболочки, окруженной кольцевым зарядом взрывчатого вещества, в полости которой создается поток аксиального магнитного поля. При быстром взрывном сжатии оболочки к центру магнитный поток в полости сохраняется, а магнитное поле в полости растет обратно пропорционально квадрату радиуса полости. Взрывные эксперименты с генераторами МК-1 показали возможность получения многомегагауссных магнитных полей, но при значениях полей более 4 5 МГс резко падала воспроизводимость результатов экспериментов. Авторами было экспериментально показано, что главным фактором, ограничивающим величину воспроизводимо получаемых полей, является развитие неустойчивостей границы вещество магнитное поле [2]
В качестве прототипа выбран магнитокумулятивный генератор сверхсильных магнитных полей типа МК-1, cодержащий источник аксиального магнитного поля, цилиндрическую оболочку и средство ее сжатия. В этом генераторе оболочка выполнена из склеенных между собой изолированных медных проволочек, расположенных вдоль его образующей концентрическими слоями. Такая конструкция цилиндра обладает следующими свойствами, обеспечивающими его функционирование в качестве оболочки генератора МК-1: в исходном состоянии у материала цилиндра отсутствует электропроводность в азимутальном направлении и он свободно пропускает внутрь поток аксиального магнитного поля, создаваемый и сжимаемый внешней оболочкой (предыдущим каскадом) генератора МК-1 при схлопывании ее к центру под действием давления продуктов взрыва заряда ВВ. Далее при ударе по цилиндру подлетевшего предыдущего каскада проволочки цилиндра замыкаются, возникает проводимость в азимутальном направлении, цилиндр захватывает магнитный поток в своей полости и при последующем схлопывании к центру сжимает магнитный поток, усиливая тем самым магнитное поле.A source of magnetic fields of more than 2 MG for such studies is the MK-1 magnetocumulative (explosive) generator described there, consisting of a metal cylindrical shell surrounded by an annular explosive charge in the cavity of which an axial magnetic field flux is generated. With rapid explosive compression of the shell towards the center, the magnetic flux in the cavity is maintained, and the magnetic field in the cavity grows inversely with the square of the radius of the cavity. Explosive experiments with MK-1 generators showed the possibility of obtaining multi-mega-Gaussian magnetic fields, but when the field values were more than 4 5 MG, the reproducibility of the experimental results sharply decreased. The authors experimentally showed that the main factor limiting the magnitude of reproducibly obtained fields is the development of instabilities of the boundary substance magnetic field [2]
As a prototype, a magnetocumulative generator of superstrong magnetic fields of the MK-1 type, containing a source of axial magnetic field, a cylindrical shell and a means of its compression, was selected. In this generator, the shell is made of insulated copper wires glued together, located along its generatrix in concentric layers. This design of the cylinder has the following properties, ensuring its functioning as a shell of the MK-1 generator: in the initial state, the cylinder material does not have electrical conductivity in the azimuthal direction and it freely passes the axial magnetic field flux generated and compressed by the external shell (previous cascade) of the MK generator -1 when it collapses to the center under the action of the pressure of the explosion products of the explosive charge. Then, when a cylinder arrives at a previous cascade that has flown up, the cylinder wires are closed, conductivity arises in the azimuthal direction, the cylinder captures the magnetic flux in its cavity, and upon subsequent collapse to the center, compresses the magnetic flux, thereby enhancing the magnetic field.

Использование подобных оболочек привело к развитию каскадного принципа усиления магнитного поля [3] позволившего получать рекордно большие значения конечного магнитного поля и их воспроизводимость. Каскадирование уменьшает градиент магнитного поля по толщине оболочки и определяемые им нагрев вещества оболочки и давление магнитного поля на границу вещество магнитное поле; кроме того, разогретое вещество предыдущего каскада заменяется холодным следующего и уменьшается время на развитие неустойчивостей все это в совокупности приводит к стабилизации процесса сжатия магнитного потока [4]
Недостатки конструкции генератора-прототипа:
1) различные применения генератора МК-1, различные режимы его работы вызывают необходимость изменения и оптимизации размеров каскадов для каждого конкретного случая, однако достаточно сложная технология изготовления проволочных каскадов требует значительного количества ручного труда и сложной оснастки, изменение которой при изменении размеров каскада требует больших затрат.The use of such shells led to the development of the cascade principle of magnetic field amplification [3], which made it possible to obtain record-high values of the final magnetic field and their reproducibility. Cascading reduces the gradient of the magnetic field over the thickness of the shell and the heating of the shell material and the pressure of the magnetic field at the boundary of the substance magnetic field; in addition, the heated substance of the previous cascade is replaced by the cold of the next and the time for the development of instabilities decreases, all of which together leads to stabilization of the magnetic flux compression process [4]
The disadvantages of the design of the prototype generator:
1) various applications of the MK-1 generator, its various operating modes necessitate changing and optimizing the sizes of cascades for each particular case, however, a rather complicated technology for manufacturing wire cascades requires a considerable amount of manual labor and complicated equipment, changing it when changing the dimensions of the cascade is expensive .

2) Полная масса проволочного каскада регулируется только изменением его толщины, а плотность вещества каскада, определяемая плотностью упаковки проволочек, является строго фиксированной величиной в диапазоне 5,2 6,2 г/куб. см (в зависимости от размеров каскада и диаметра проволочек). 2) The total mass of the wire cascade is regulated only by changing its thickness, and the density of the substance of the cascade, determined by the packing density of the wires, is a strictly fixed value in the range of 5.2 to 6.2 g / cu. cm (depending on the size of the cascade and the diameter of the wires).

Эти свойства проволочного каскада ограничивают или препятствуют вообще реализации возможности достижения максимальных магнитных полей в генераторе МК-1, требующей увеличения кинетической энергии оболочки и ее плотности. These properties of the wire cascade limit or hinder the general realization of the possibility of achieving maximum magnetic fields in the MK-1 generator, which requires an increase in the kinetic energy of the shell and its density.

Решение поставленной технической задачи увеличение максимального магнитного поля генератора МК-1 заключается в увеличении энергетики системы сжатия магнитного потока. Для такого увеличения энергетики необходимо увеличить скорость схлопывания оболочки генератора МК-1, что при одном и том же заряде ВВ достигается увеличением эффективности передачи кинетической энергии от заряда ВВ оболочке и от каскада каскаду, а для этого нужны тонкие, но массивные (с большой плотностью вещества) оболочки. Как отмечено в книге Г. Кнопфеля (Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М. Мир. 1972, с. 239), в связи с конечной скоростью ударной волны только часть кинетической энергии оболочки преобразуется в энергию магнитного поля, что можно учесть введением эффективной толщины оболочки. Так как скорость звука в разных металлах практически одинакова, при одинаковой эффективной толщине оболочки большие поля достигаются в генераторе с оболочкой из металла с большей начальной плотностью вещества (там же, с. 240). Кроме того, увеличение скорости оболочки можно получить чередованием оболочек разной плотности вещества и/или многослойным строением оболочки из веществ разной плотности. The solution of the technical problem to increase the maximum magnetic field of the MK-1 generator is to increase the energy of the magnetic flux compression system. For such an increase in energy, it is necessary to increase the collapse rate of the shell of the MK-1 generator, which, with the same explosive charge, is achieved by increasing the efficiency of transfer of kinetic energy from the explosive charge to the shell and from the cascade cascade, and this requires thin but massive (with a high density of matter ) shell. As noted in the book of G. Knopfel (G. Knopfel. Superstrong pulsed magnetic fields. M. Mir. 1972, p. 239), due to the finite velocity of the shock wave, only a part of the kinetic energy of the shell is converted into magnetic field energy, which can be taken into account by introducing effective shell thickness. Since the speed of sound in different metals is almost the same, with the same effective shell thickness, large fields are achieved in a generator with a metal shell with a higher initial density of the substance (ibid., P. 240). In addition, an increase in the speed of the shell can be obtained by alternating the shells of different densities of matter and / or the multilayer structure of the shell of substances of different densities.

Однако при таких заменах металла оболочки для того, чтобы достичь увеличения максимального магнитного поля магнитокумулятивного генератора МК-1 каскадированием, новая конструкция оболочки генератора МК-1 должна обеспечить необходимое свойство изменяющейся в процессе работы генератора электропроводности. Указанная цель достигается изготовлением оболочки из композиционного материала на основе мелкодисперсных порошков металлов и диэлектрика, который одновременно может играть роль образующей компоненты. Соотношение компонент смеси определяет как величину плотности вещества в исходном состоянии, так и начальное значение электропроводности и ее поведение при ударном сжатии, и слабо влияет на плотность вещества каскада в ударносжатом состоянии, в основном определяемую плотностью вещества металла. However, with such replacements of the shell metal in order to achieve an increase in the maximum magnetic field of the MK-1 magnetocumulative generator by cascading, the new design of the MK-1 generator shell must provide the necessary property of the conductivity generator changing during operation. This goal is achieved by manufacturing a shell of a composite material based on fine powders of metals and a dielectric, which at the same time can play the role of a forming component. The ratio of the components of the mixture determines both the value of the density of the substance in the initial state and the initial value of electrical conductivity and its behavior under shock compression, and weakly affects the density of the cascade material in the shock-compressed state, which is mainly determined by the density of the metal substance.

Существенно необходимое для функционирования генератора изменение величины электропроводности оболочки от неподвижного исходного состояния к сжатому после прохождения ударной волны состоянию должно быть осуществлено в границах большого диапазона ее абсолютных значений. Необходимый для успешного функционирования в качестве материала каскада диапазон значений его электропроводности определяется следующим образом. В исходном состоянии, когда цилиндр-каскад должен как можно свободнее пропускать внутрь своей полости магнитный поток, толщина скин-слоя магнитного потока должна в несколько раз превышать толщину оболочки. Это означает, что его вещество должно иметь электропроводность примерно на пять порядков и более хуже металлической, т. е. около 1 (Ом•cм)^-1 и менее. Тогда толщина скин-слоя даже при достижении эффективной частоты изменения магнитного поля в несколько мегагерц (для глубоко лежащих каскадов, сжимающих усиленное до нескольких мегагаусс предыдущими каскадами магнитное поле), будет более 1 см, что в несколько раз более начальной толщины оболочки. В этом случае магнитный поток свободно диффундирует сквозь оболочку, нагрев вещества оболочки и давление магнитного поля на оболочку, определяемые квадратом разности магнитных полей снаружи и внутри оболочки, незначительны. А после удара вещество каскада должно иметь электропроводность не более, чем на два порядка хуже медной, т. е. более 5•10³ (Ом•см^-1), для того, чтобы эффективно сжимать магнитный поток тогда толщина скин-слоя магнитного потока будет составлять десятые доли миллиметра и менее, что в несколько раз меньше обычных толщин оболочек 2 5 мм.Essentially necessary for the functioning of the generator, a change in the value of the electrical conductivity of the shell from a stationary initial state to a compressed state after the passage of a shock wave should be carried out within a large range of its absolute values. The range of values of its electrical conductivity necessary for successful functioning as a cascade material is determined as follows. In the initial state, when the cascade cylinder should pass magnetic flux as freely as possible inside its cavity, the thickness of the skin layer of the magnetic flux should be several times the thickness of the shell. This means that its substance should have an electrical conductivity of about five orders of magnitude or worse than metal, that is, about 1 (Ohm • cm) ^-1 or less. Then, the thickness of the skin layer, even when the effective frequency of the magnetic field changes by several megahertz (for deeply lying cascades compressing the magnetic field amplified to several mega Gauss by previous cascades), will be more than 1 cm, which is several times more than the initial shell thickness. In this case, the magnetic flux freely diffuses through the shell, the heating of the shell material and the pressure of the magnetic field on the shell, determined by the square of the difference of the magnetic fields outside and inside the shell, are insignificant. And after the impact, the cascade substance should have an electrical conductivity no more than two orders of magnitude worse than copper, that is, more than 5 • 10 ³ (Ohm • cm ^-1 ), in order to effectively compress the magnetic flux then the thickness of the skin layer of the magnetic flux will be tenths of a millimeter or less, which is several times less than the usual shell thicknesses of 2.5 mm.

На фиг. приведен схематический разрез магнитокумулятивного генератора сверхсильных магнитных полей МК-1, содержащего одну или более коаксиально расположенных цилиндрических оболочек 1, источник начального магнитного поля 2 и средство сжатия оболочек 3. В исходном состоянии оболочки 1 свободно пропускают внутрь себя магнитный поток начального магнитного поля, создаваемого источником начального поля 2. В момент максимума начального магнитного поля средство сжатия оболочек 3 ударяет по первой из оболочек 1 (наибольшего диаметра), материал оболочки приобретает проводимость, оболочка захватывает магнитный поток и сжимает его вплоть до удара по следующей оболочке, когда уже та становится приводящей и продолжает процесс усиления магнитного поля. In FIG. a schematic section of a magnetocumulative generator of super-strong magnetic fields MK-1 is presented, containing one or more coaxially arranged cylindrical shells 1, the source of the initial magnetic field 2, and the means for compressing the shells 3. In the initial state of the shell 1, the magnetic flux of the initial magnetic field generated by the source freely passes the initial field 2. At the maximum maximum initial magnetic field, the means of compression of the shells 3 hits the first of the shells 1 (largest diameter), the shell material acquires conductivity, magnetic flux envelope captures and compresses it down to the next blow to the shell when it becomes that the process continues and leads amplification of the magnetic field.

Предложенное техническое решение испытывалось в каскадном магнитокумулятивном генераторе, содержащем две коаксиально расположенные цилиндрические оболочки 1, соленоид-оболочку 2, создающую начальный магнитный поток и являющуюся первым каскадом усиления магнитного поля, и кольцевой заряд ВВ 3, давление продукта взрыва которого сжимает последовательно сначала соленоид-оболочку (первый каскад), затем вторую цилиндрическую оболочку-каскад и, наконец, третью оболочку. В проведенных испытаниях один либо оба внутренних каскада генератора были изготовлены не из проволочек, а из вольфрамсодержащего пресс-материала, состоящего из вольфрамового порошка с диаметром частиц менее 100 мкм и полимерной матрицы из пропилена. Если решается задача простого увеличения энергетики системы сжатия, то металлическая компонента композита должна быть металлом с большой плотностью вещества типа тантала, вольфрама и т. п. Если же реализуется возможность увеличения скорости схлопывания оболочки чередованием оболочек различной плотности, тогда в композите одной оболочки металлом может быть легкий металл типа алюминия или титана, а в другой опять же тяжелый металл. Диэлектрическая компонента композита определяется главным образом технологическими соображениями, лишь бы это был в несжатом состоянии диэлектрик. The proposed technical solution was tested in a cascade magnetocumulative generator containing two coaxially arranged cylindrical shells 1, a solenoid-shell 2, which creates an initial magnetic flux and is the first cascade of magnetic field amplification, and an explosive charge 3, the pressure of the explosion product of which compresses the solenoid-shell first sequentially (first cascade), then the second cylindrical cascade shell, and finally the third shell. In the tests, one or both of the internal stages of the generator were made not of wires, but of a tungsten-containing press material consisting of a tungsten powder with a particle diameter of less than 100 μm and a polymer matrix of propylene. If the problem of a simple increase in the energy of the compression system is solved, then the metal component of the composite should be a metal with a high density of a substance such as tantalum, tungsten, etc. If the possibility of increasing the speed of collapse of the shell by alternating shells of different densities is realized, then in the composite of one shell the metal can be a light metal such as aluminum or titanium, and in another, again a heavy metal. The dielectric component of the composite is determined mainly by technological considerations, if only it would be an uncompressed dielectric.

Испытания проводились при двух разных начальных значениях плотности испытывавшегося вещества: 7 г/куб. см в этом случае объемное соотношение металл-изолятор менее 1 3, а электропроводность материала 0,2 0,05 (Ом•cм)^-1 и 10 г/куб. см объемное соотношение более 1 2, электропроводность 0,7 1 (Ом•см)^-1. Прямые измерения электропроводности композита в ударно-сжатом состоянии не проводились из-за отсутствия в мировой практике надежных методик измерения. Но зарегистрированные в экспериментах сигналы датчиков индукционной и оптической методик, измеряющих магнитное поле и его производную, свидетельствуют об отсутствии значительных потерь магнитного потока, следовательно о достаточно высокой проводимости сжатого материала. Замена проволочек на вольфрамовый полимерный материал позволила на 50 100 увеличить начальную массу каскада при сохранении его толщины, увеличить тем самым эффективность передачи кинетической энергии каскаду и достичь увеличения конечного поля генератора с примерно 9 МГс до примерно 11 МГс, демонстрируя работоспособность предложенной конструкции и реализацию поставленной цели.The tests were carried out at two different initial densities of the test substance: 7 g / cu. cm in this case, the volume ratio of the metal-insulator is less than 1 3, and the conductivity of the material is 0.2 0.05 (Ohm • cm) ^-1 and 10 g / cu. cm volume ratio of more than 1 2, electrical conductivity 0.7 1 (Ohm • cm) ^-1 . Direct measurements of the electrical conductivity of the composite in the shock-compressed state were not carried out due to the lack of reliable measurement methods in world practice. But the signals of the sensors of the induction and optical methods recorded in the experiments, measuring the magnetic field and its derivative, indicate the absence of significant losses of the magnetic flux, and therefore, a sufficiently high conductivity of the compressed material. Replacing the wires with a tungsten polymer material made it possible to increase the initial mass of the cascade by 50 100 while maintaining its thickness, thereby increasing the efficiency of kinetic energy transfer to the cascade and achieve increasing the final field of the generator from about 9 MG to about 11 MG, demonstrating the operability of the proposed design and the realization of the goal .

Claims

A magneto-cumulative generator containing one or more coaxial cylindrical shells and means for creating an initial magnetic field and compressing the shells, characterized in that the shells are made of a composite material based on metal powder and dielectric with a conductivity that varies from the initial value from an initial value of less than 1 Ω cm ^-1 to a value greater than 5 • 10 ³ Ohm • cm ^-1 .